高寒草甸退化對祁連山土壤微生物生物量和氮礦化速率的影響

馬 源,楊 潔,張德罡,周 恒,周會程,陳建綱

甘肅農業大學草業學院, 蘭州 730070

草地是陸地生態系統中最重要的組成部分,占據了我國國土面積的40%左右[1]。近幾十年,由于人們對草原的過度放牧和草地資源的過度開墾,使高寒草甸區植物群落的多樣性發生顯著的變化,從而導致草地退化面積不斷擴大,最終導致草地生態系統的紊亂[2]。據統計發現,祁連山高寒草甸區60%左右的草原發生重度退化,草地超載率達到70%左右,這些問題的發生都必將造成草地初級生產力氮素的流失和土壤微生物量的周轉率下降。氮元素作為限制草地營養轉化的關鍵元素之一,其重要性不言而喻[3],土壤微生物量作為土壤有機物質的活性成分,其周轉率的快慢和對土壤養分變化敏感性,對草地養分循環有顯著作用,是最主要的土壤養分庫之一[4]。因此,土壤銨態氮、土壤硝態氮以及土壤微生物量氮等物質是評價土壤生產力的關鍵指標,對草地生態系統中氮素的調控和轉化具有重要意義。

因此,本研究通過選取祁連山東緣4個退化程度的高寒草甸草原(未退化草甸、輕度退化草甸、中度退化草甸、極度退化草甸),開展隨退化程度的加劇土壤氮礦化速率、土壤氮礦化相關的土壤微生物特性以及土壤因子和植被等進行相關研究,以期揭示高寒草甸區草地退化過程中土壤氮礦化的主要因素和特點,為退化草地生態恢復過程中氮素的供給提供一定的理論支撐。

1 材料與方法

1.1 樣地概況

研究地位于甘肅省祁連山東緣地區(102°44′11″—102°46′17″E, 37°11′42″—37°13′5″N),該樣地類型為寒溫潮濕高山草甸類,土壤類型為亞高山草甸土,土壤含水量(50%—80%),土壤pH值(6.94—8.17)。海拔(2869.8—3008.3 m), 年均溫(-0.1—0.6 ℃),全年≥0℃的積溫為1360℃左右,降雨量446 mm左右,主要集中在7—9月,年均蒸發量(1483—1614 mm),氣候寒冷潮濕,水熱同期,平均相對濕度55%,年日照時間2600 h。主要植物種類包括：珠芽蓼(Polygonumviviparum)、早熟禾(Poaannua)、披堿草(Elymusdahuricus)、線葉嵩草(Kobresiacapillifolia)、矮嵩草(Kobresiahumilus)、甘肅棘豆(Oxytropiskansuensis)、唐松草(Thalictrumspp)、萎陵菜(Potentillaspp)、鳳毛菊(Saussurreaspp)、扁蓿豆(Melissilusruthenicus)、乳白香青(Anaphalislactea)、狼毒(Stellerachamaejasme)等,樣地概況見表1。

1.2 樣地設置與土壤樣品采集

2018年8月根據草地退化相關分級標準[14],在甘肅省天祝縣金強河草原站附近選取未退化草地(Non-degraded grassland,ND),輕度退化草地(Light degraded grassland,LD),中度退化草地(Moderate degraded grassland,MD)以及極度退化草地(Severely degraded grassland,SD)4個樣地,每個樣地主要優勢物種分別是,未退化樣地優勢物種：珠芽蓼、垂穗披堿草、線葉嵩；輕度退化樣地優勢物種：線葉嵩草、矮生嵩草、扁蓿豆；中度退化樣地優勢物種：矮生嵩草、線葉嵩草、扁蓿豆；極度退化樣地優勢物種：乳白香青、矮生嵩草、披堿草。

每個樣地設置1個大樣方(50 m × 50 m)。并且在大樣方的四個角和中心各設置一個小樣方(1 m × 1 m),用方格法測定每個小樣方中植物高度,植被蓋度,植物種類,植物數量以及地上生物量,并且選取3個小樣方采集表層(0—10 cm)土壤樣品,每個樣品分為2部分,一部分在4℃下保存為新鮮土壤,進行土壤銨態氮、硝態氮、微生物量和氮礦化速率的測定；另一部分陰干和均質化,過2 mm的篩,進行土壤理化性質分析(見表1)。

1.3 指標測定與方法

土壤微生物生物量碳(Microbial biomass carbon,MBC)和微生物生物量氮(Microbial biomass nitrogen,MBN)采用氯仿熏蒸提取方法測量[17]；通過調節土壤樣品至田間持水量的50%后,測量25℃土樣在實驗室培養中釋放的CO2的量獲得土壤基礎呼吸(Soil basal respiration,SBR)[18],方法如下,將20 g新鮮土樣密封并在黑暗中保持10 d,后用5 mL 1 mol/L NaOH吸收放出的CO2,最后通過1 mol/L HCl滴定過量的NaOH來測定；代謝熵(qCO2),土壤基礎呼吸量與單位土壤微生物量碳的比率[18]；微生物熵(CMBC/ CSOC),通過微生物生物量碳的含量與土壤有機碳的比率來計算[18]。

土壤礦化指標計算公式采用下面公式進行計算[19]

NET =VA+VN

1.4 數據分析

采用SPSS 18.0軟件對相關數據進行單因素(one-way ANOVA)方差分析,采用Duncan法進行多重比較,統計顯著水平為P< 0.05。圖表中所有數據均表示為平均值±標準誤(Mean ± SE)。Canoco 5.0 統計軟件土壤氮礦化數據進行趨勢對應分析(DCA)計算出第一排序軸的梯度范圍(lengths of gradient),根據其lengths of gradient的數值小于3.0的基礎上,采用冗余分析法(redundancy analysis,RDA),對土壤氮礦化數據、土壤理化指標以及植物因子進行排序分析。

2 結果與分析

2.1 高寒草甸退化對植物和土壤理化特征的影響

由表1可知,對于高寒草甸植物而言,隨退化程度加劇,植物蓋度由96%降低至37.33%,且四個退化程度間均具有顯著性差異(P<0.05),植物高度從未退化草地的19.06 cm降低至2.06 cm,并且4個退化梯度間均具有顯著性差異(P<0.05),同時,物種數由15種下降至8種,且ND、LD和SD間差異顯著(P<0.05)。通過對比發現,地上生物量由403 g/m2降低至99.31 g/m2、地下生物量由1569.63 g/m2降低至266.35 g/m2,表明隨草地退化程度加劇,不同退化程度間地上生物量和地下生物量均具有顯著性差異(P<0.05)。

對高寒草甸土壤特征等相關因子的研究發現(表1),隨高寒草甸退化程度加劇,SOC含量呈逐漸降低趨勢,且四個退化梯度間均具有顯著性差異(P<0.05),TN含量和SM的變化趨勢與SOC的變化趨勢一致,且不同退化梯度間均具有顯著性差異(P<0.05),土壤pH值的變化整體呈下降趨勢,其中ND和LD退化程度間差異不顯著(P>0.05),但與其他兩個退化梯度(MD和SD)間均具有顯著性差異(P<0.05)。

表1 高寒草甸退化過程中植物與土壤特征

不同小寫字母表示不同退化程度間差異性顯著(P<0.05),ND：未退化Non-degraded grassland；LD：輕度退化Light degraded grassland；MD：中度退化Moderate degraded grassland；SD：極度退化Severely degraded grassland

2.2 高寒草甸退化對土壤微生物屬性的影響

高寒草甸退化對MBC、MBN、MBC/MBN、SBR、qCO2和CMBC/CSOC有一定的影響,并且表現出一定的規律性。研究發現,隨退化程度加劇,MBC、MBN和SBR呈逐漸降低趨勢(圖1),其中MBC的變化從486.32 mg/kg下降到237.77 mg/kg,MBN的變化從34.72 mg/kg下降到19.11 mg/kg,SBR速率由53.5 mg kg-1d-1下降至24.5 mg kg-1d-1,且4個退化程度間均具有顯著性差異(P<0.05)。

圖1 高寒草甸不同退化程度土壤微生物屬性的變化Fig.1 Variation of soil microbial properties of alpine meadow under different degradation degrees 小寫字母表示不同退化程度間差異性顯著(P<0.05)，ND：未退化Non-degraded grassland；LD：輕度退化Light degraded grassland；MD：中度退化Moderate degraded grassland；SD：極度退化Severely degraded grassland

由圖1所示,qCO2的變化范圍為0.11—0.32(d-1)。研究發現,隨著退化程度的加劇,qCO2由未退化草地到重度退化草地表現為降低的趨勢,但差異不顯著(P>0.05)；而SD與ND、LD、和MD相比,qCO2最高且差異性最顯著(P<0.05)。由圖1所示,CMBC/CSOC的變化范圍為0.051—0.038(%),整體表現為隨退化程度的加劇呈逐漸降低趨勢,其中ND、LD、和MD無明顯差異(P>0.05),但與SD相比差異性顯著(P<0.05)。由圖1所示,微生物生物量碳氮比(MBC/MBN)的變化范圍從14.74下降到12.41,整體表現為隨退化程度加劇呈先上升后下降趨勢,其中ND、LD和MD三個退化草地間差異不顯著(P>0.05),但與SD退化草甸間差異顯著(P<0.05)。

2.3 高寒草甸退化對土壤凈氮礦化,硝化和氨化的速率的影響

由圖2所示,隨退化程度加劇,高寒草甸土壤凈氨化速率整體呈下降趨勢,其中ND凈氨化速率最高為8.64 mg kg-1d-1,SD凈氨化速率最低為1.51 mg kg-1d-1,且四個退化程度草地間均具有顯著性差異(P<0.05)。由圖2所示,隨退化程度加劇,高寒草甸土壤凈硝化速率整體呈上升趨勢,其中ND凈硝化速率最低,為5.31 mg kg-1d-1,SD凈硝化速率最高,為10.71 mg kg-1d-1,且四個退化程度草地間均具有顯著性差異(P<0.05)。由圖2可知,隨退化程度加劇,高寒草甸土壤凈氮礦化速率整體呈下降趨勢,其中SD凈氮礦化速率最低,為9.49 mg kg-1d-1,ND凈氮礦化速率最高,為14.9 mg kg-1d-1,且四個退化程度草地間均具有顯著性差異(P<0.05)。

2.4 高寒草甸退化對土壤土壤酶活性的影響

高寒草甸的退化與土壤氮礦化相關酶(土壤蛋白酶、脲酶、β-乙酰葡糖胺糖苷酶和亮氨酸氨基肽酶)活性關系密切,由圖3所示,土壤蛋白酶、UE和LAP的活性隨草地退化程度的加劇呈逐漸降低的趨勢,其活性變化范圍分別為：土壤蛋白酶活性由0.62 mg g-1d-1下降到0.34 mg g-1d-1；UE由0.91 mg g-1d-1下降到0.55 mg g-1d-1；LAP由27.07 μmol g-1d-1下降至22.11 μmol g-1d-1。通過方差分析可知,土壤蛋白酶和UE在4個退化程度間均具有顯著性差異(P<0.05),而LAP的活性在ND和LD間差異不顯著(P>0.05),與MD和SD相比均具有顯著性差異(P<0.05)。

圖2 高寒草甸退化對土壤凈氨化速率、凈硝化速率和凈氮礦化速率的影響Fig.2 Effects of alpine meadow degradation on soil ammoniation rate, nitrification rate and net N mineralization rate

圖3 高寒草甸不同退化程度土壤酶活性的變化特征Fig.3 Changes of soil enzyme activity of alpine meadow under different degradation degrees

由圖3所示,土壤中NAG的活性從ND到MD呈逐漸降低趨勢,其活性變化從1.13 μmol g-1d-1降至0.71 μmol g-1d-1,且差異性顯著(P<0.05),但SD中NAG的活性則高于其他3個退化程度的草地,與ND相比差異不顯著(P>0.05),但與LD和SD相比差異性顯著(P<0.05)。

2.5 不同退化程度高寒草甸土壤氮礦化與土壤性質和植物因子間的關系分析

圖4 土壤氮礦化與土壤環境因子的RDA分析Fig.4 Redundancy analysis for soil nitrogen mineralization and soil environmental factors PRO：土壤蛋白酶Protease；UE：土壤脲酶Urease；LAP：亮氨酸氨基肽酶Leucine aminopeptidase；NAG：β-乙酰葡糖胺糖苷酶β-1,4-N-acetylglucosaminidase；MBC：土壤微生物生物量碳Microbial biomass C；MBN：土壤微生物生物量碳Microbial biomass N；MBC∶N：土壤微生物生物量碳氮比Microbial biomass C/N；MBC∶SOC：微生物熵Microbial quotient；SBR：土壤基礎呼吸Soil basal respiration；qCO2：代謝熵Metabolic quotient；VA：凈氨化速率Amination rate；VN：凈消化速率Nitrification rate；NET：凈氮礦化速率Net N mineralization rate；Height：植被高度；Coverage：植被蓋度；Aboveground biomass：地上生物量；Underground biomass：地下生物量

基于CANOCO 5.0 軟件分析,將不同退化程度高寒草甸土壤氮礦化速率進行趨勢對應分析(DCA),并對不同氮礦化速率進行分組和排序,計算出第一軸的梯度范圍(lengths of gradient)是0.78,這表明氮礦化和土壤性質之間適應于多元統計RDA分析。通過Pearson相關系數分析結合RDA分析了土壤氮礦化與土壤理化性質、酶活性以及植物因子之間的相互關系(圖4)。RDA分析表明：第一、二排序軸特征值分別為0.955、0.035,同時第一、二排序軸累計解釋率分別為95.84%、3.25%,因此說明第一、二排序軸能夠很好地反映植物礦化速率與土壤理化性質和植物因子之間的關系,且主要由第一排序軸決定。通過RDA分析和Pearson相關分析發現,高寒草甸退化過程中土壤凈氨化速率與土壤蛋白酶、脲酶、亮氨酸氨基肽酶、土壤基礎呼吸、土壤微生物生物量碳、土壤微生物生物量氮、植物高度、植被覆蓋度以及地下生物量間呈極顯著正相關(相關系數分別為R=0.938、R=0.958、R=0.922、R=0.980、R=0.966、R=0.946、R=0.958、R=0.978、R=0.962)；土壤蛋白酶、脲酶、亮氨酸氨基肽酶、植物高度、植被覆蓋度、地上生物量、微生物生物量碳、微生物生物量氮、微生物代謝熵和土壤基礎呼吸與土壤凈氮礦化速率之間呈極顯著正相關(相關系數分別為R=0.938、R=0.933、R=0.928、R=0.947、R=0.976、R=0.953、R=0.948、R=0.933、R=0.724和R=0.961)；土壤凈硝化速率與土壤蛋白酶、脲酶、亮氨酸氨基肽酶、植物高度、植被覆蓋度、地上生物量、微生物生物量碳、微生物生物量氮、微生物代謝熵、土壤基礎呼吸之間呈極顯著負相關(相關系數分別為R=-0.906、R=-0.951、R=-0.885、R=-0.936、R=-0.947、R=-0.937、R=-0.951、R=-0.926、R=-0.756和R=-0.967)。

高寒草地退化過程在排序軸中也能得到體現,沿第一軸依次為ND、LD、MD以及SD,其中,LD分布在土壤養分含量豐富的第一軸左側,ND分布在土壤呼吸和凈氨化速率較大的第一軸左下角,MD靠近原點且沿第一軸分布,SD分布在凈消化速率和凈氮礦化速率較為嚴重的第一排序軸右下角,表明在祁連山高寒草甸區,草地具有退化趨勢,并且不同的退化草地對土壤養分的需求也各不相同,MD可能成為草地退化的起始階段或者最終階段,LD主要作為中間的過渡階段,受到土壤理化性質的影響較為顯著。

3 討論

3.1 高寒草甸的退化對微生物特性和酶活性的影響

MBC和MBN是土壤有效養分的重要來源,也是衡量微生物活性的重要指示性因子[20]。有研究指出,當草地發生退化時引起了土壤養分和MBC和MBN的降低,并導致土壤肥力下降以及微生物活性的降低,從而使土壤氮礦化發生變化[21]。作為衡量土壤微生物活性總指標的土壤基礎呼吸,反映了土壤微生物活性和土壤物質代謝的強度[22]。有研究指出,草地發生退化時土壤呼吸逐漸降低,這說明草地退化導致土壤質地發生變化,從而抑制了土壤微生物的活性[23],同樣Anderson等[24]研究指出活躍的微生物群落均有助于土壤基礎呼吸。本研究結果顯示,高寒草甸區,草地退化降低了土壤中MBC、MBN的含量和土壤的呼吸速率,這與王學霞等[25]、趙玉皓等[26]的結論具有相似性。因此,草地退化使土壤微生物的活性降低,從而導致土壤凈氮礦化速率呈下降趨勢。qCO2通常被解釋為微生物的應激指數,可用于評估土壤微生物群落在底物利用方面的效率[27]。在本研究中觀察到隨退化程度加劇,SD中qCO2的值顯著高于其他3個樣地,這說明低qCO2值可能表明在使用有機碳進行生物合成時土壤微生物量具有較高的效率,這進一步證明Behera等[28]的觀點,微生物生物量的更高效率表明土壤中有較多的可利用有機碳的參與和能夠通過呼吸減少碳素的損失,從而降低qCO2。CMBC/CSOC表示MBC相對于SOC的積累潛力的指數,能夠用于評估草地退化引起的變化[29]。本研究中發現,隨退化程度加劇CMBC/CSOC表現為降低趨勢,其中SD中CMBC/CSOC顯著低于其他3個樣地,這就表明ND、LD和SD中SOC轉化為MBC的效率更高。因此,SD中較低的CMBC/CSOC比率意味著該樣地中微生物群落在SOC轉化為微生物量方面效率較低,或者樣地中某些不可被利用的碳物質產生[30]。

本研究發現,隨高寒草甸退化程度的加劇,土壤中與氮礦化有關的酶均表現出一定的規律性,并且主要受到土壤微生物活性的影響。土壤在氮礦化過程中,土壤微生物則通過調控相關氮素轉化的關鍵酶,從而控制土壤中氮素的礦化作用[31]。本研究發現,高寒草地在退化過程中對氨化速率和硝化速率具有較深的影響,因此,導致氨化速率下降和硝化速率上升的因素可能與土壤中氮素分解的酶有一定關系。而土壤中蛋白酶、脲酶、NAG和LAP等酶的活性都與氮素轉化有直接關系,能夠作為土壤氮礦化的關鍵酶。本研究發現,隨退化程度加劇,土壤酶的活性呈逐漸降低趨勢,這與王學霞等[25]的研究有相似的結論。說明在高寒草甸退化過程中,微生物生物量的降低必然會導致土壤酶活性的下降,從而使土壤氮礦化速率降低。而氮礦化過程中氨化速率又起到了決定性作用,這同樣可能與這四種酶有關系。同時,有研究發現,土壤中可利用有機氮的釋放是在這些酶的催化下進行的[32],因此,這些酶的活性強弱又是土壤氮循環的限速步驟,而Chen等[33]研究發現酶對有機氮的降解是氮轉化過程中的限制環節,這與本研究結論相似。

3.2 高寒草甸退化對土壤中N供應能力的影響

3.3 退化草地土壤氮礦化與土壤因子和植物因子間的關系

4 結論

(1)祁連山東緣高寒草甸退化過程中,土壤凈氮礦化率和氨化速率呈下降趨勢,硝化速率呈上升趨勢,并且該區域土壤氨化作用強烈,導致該地區土壤無機氮主要以銨態氮為主。

(2)土壤凈氮礦化率和氨化速率作為相對有效性的指標顯示了高寒草甸退化樣地之間的明顯差異,特別是在未退化草甸和極度退化草甸的土壤中,這說明微生物活性的重要作用,并且突出了無機氮生產過程中發生微生物氮固定的重要性。

(3)高寒草甸在退化過程中植物群落的結構遭受破壞,導致土壤理化性質發生改變,使土壤中相關氮素轉化的關鍵酶活性受到抑制,從而導致高寒草甸土壤氮礦化逐漸降低。